虛擬仿真實驗在大學物理實驗教學中的應用研究*

劉高福 王平瑞 吳旭普

(貴州師范學院物理與電子科學學院 貴州 貴陽 550018)

隨著信息技術的發展與普及，VR技術被廣泛應用于實驗教學中.虛擬仿真技術在物理實驗教學中的應用越來越廣泛[1,2]，虛擬仿真實驗主要通過計算機模擬編程系統、網絡技術等融合在一起，開發出一套與現實實驗相對應的虛擬實驗平臺，通過計算機模擬實驗器材、實驗環境、實驗步驟等，學生可通過模擬軟件對實驗器材進行組裝、操作，測出實驗數據，并對數據進行分析、處理，得出實驗結果，最后完成實驗報告.虛擬仿真實驗是傳統實驗的補充和完善，二者相輔相成.任何軟件系統的開發和應用都有其優缺點，文章將對虛擬仿真實驗的優缺點進行分析，提出針對仿真實驗的改善策略，并通過應用實例分析討論.

1 大學物理虛擬仿真實驗的優缺點

1.1 大學物理虛擬仿真實驗的優點

(1)學習時間自由，促進自主學習

虛擬仿真實驗是利用計算機模擬系統和網絡進行實驗，學習地點、學習時間不限制，學生可以自由分配時間.虛擬仿真實驗具有可設計性，操作方便，實驗方法多樣，能調動學生學習的主動性和積極性，注重學生想象力和創新力的培養.學生也可以利用豐富的虛擬仿真實驗系統中的學習資源，自己制定實驗目的、實驗內容完成實驗[3～5].學生還可以利用空余時間通過虛擬平臺進行在線自主擴充學習，根據自己的興趣選擇不同的實驗項目，并且針對實驗內容進行創新性思考和設計.

(2)便于師生交流,及時反饋

虛擬仿真實驗通過在線學習，課堂上可以實現“線上”“線下”“O2O”交流學習模式.其主要特點是交互性強，操作過程簡單，以自然的方式操作虛擬儀器，并得到虛擬對象的及時反饋，與真實實驗操作過程一樣[6].這樣能增強學生的現實感，使他們有更大的興趣去獲取知識.通過實驗過程師生在線互動及反饋，探索知識技能的掌握和運用.通過仿真實驗系統可實現“課前——課中——課后”一體化學習，如課前學生可利用仿真實驗系統中的數據資源，查找相關資料，了解實驗目的、實驗儀器和實驗設計等，進行課前預習；課中，教師可提前調取每個學生預習的數據，分析其預習情況，能較好地對學生進行差異化教學；課后，教師可以根據學生完成實驗情況對其進行綜合評價和分析，利用平臺對數據進行統計，便于教師利用數據撰寫教學反思.

(3)實驗操作安全，節約資源

虛擬仿真實驗是在虛擬環境下進行的，學生不會因為操作失誤而傷害到身體.例如利用水銀測大氣壓的仿真實驗，用的是虛擬水銀，實驗不會對人體和環境造成污染.特別是利用虛擬仿真實驗做三相電動機實驗時，學生不會因為操作失誤而觸電.采用虛擬仿真實驗也不會因為操作錯誤而破壞實驗設備、儀器等操作對象.例如使用物理天平測量物體質量時，不會因為學生操作不當，而損壞左右兩邊和中間的刀口或摔壞儀器.目前部分虛擬仿真實驗還具備“報警功能”，如以顏色、聲音、光或文字等形式提醒學生操作中存在的問題，讓學生及時糾正錯誤.虛擬仿真實驗能起到保護人身安全、減少環境污染、節約原材料、不會造成實驗儀器和儀表設備的損壞.

(4)實驗儀器逼真，立體感強

傳統大學物理實驗教學過程，學生對實驗器材內部結構的認識，是教師通過展示實物圖和語言描述進行講解和說明.這需要學生進行合理的空間想象和構造，并在腦海中形成完整的三維立體實物圖，其增加了學生外在認知負荷和判斷的準確性.對于部分空間立體感比較弱的學生，難以對實物圖進行有效的推斷和構造[1].利用虛擬仿真軟件可以把實驗儀器三維立體模型由內向外分層次呈現給學生，學生根據需要進行多個角度觀察和分析.虛擬仿真實驗是以學生為中心設計的，他們可以對虛擬物體進行視覺導航交互功能的設置，可以平滑地變換觀察視點，如對電動機和發電機的內部構造，學生自由操控虛擬對象，構建逼真的三維立體電動機和發電機模型，便于認識電動機和發電機內部結構，從而理解其工作原理及兩者的區別.而且，虛擬仿真實驗允許學生根據個人需求、學習效果和接收能力等自行設計實驗內容和步驟，實驗過程人性化，對學生個性化思維培養起促進作用.

1.2 大學物理虛擬仿真實驗的不足

(1)學生缺乏對實驗原理的理解

虛擬仿真實驗可以提高學生的設計能力和創新思維，但通過調查發現，大部分學生雖能通過虛擬仿真軟件有效地完成實驗內容，但缺乏對實驗原理的理解[9].首先，在虛擬仿真實驗中，學生通過操作虛擬實驗儀器來完成實驗過程，只要點擊鼠標就能拖動實驗器材，操作過程簡單，在不理解實驗原理的情況下，通過反復實驗，也能較好地完成實驗過程.這導致部分學生對實驗原理不重視或不理解，對實驗教學資源不能合理利用.其次，由于虛擬仿真軟件設計的局限性，學生不能直接接觸實驗儀器，降低了他們對儀器本身和參數的了解[10]，減弱了學生親身體驗的獲得感.

(2)缺乏對學生科學素養的培養

大學物理虛擬仿真實驗與傳統實驗相比在培養學生的科學素養方面有其局限性.傳統實驗是在教師規范指導和監督下以科學嚴謹的態度進行實驗，其目的是減少操作錯誤和不規范，從而減少對人身的傷害和儀器的損壞.如學生在做氣墊導軌實驗時，是不允許未開氣前將滑塊放在氣墊導軌上滑動，否則會損壞氣墊導軌，造成實驗器材不能正常使用.虛擬仿真實驗操作過程中，其顯著的特點是能有效避免因學生操作不規范而導致實驗器材損壞或產生的危險，操作錯了可重新做一次，學生固然會放松警惕，降低對實驗操作規范性的認識，削弱對學生科學嚴謹態度的培養.

(3)缺乏對學生協作性和互動性的培養

虛擬仿真實驗是每個學生面對計算機屏幕進行實驗操作，因操作過程簡單、直觀，不需要學生之間的協作交流合作.傳統實驗教學過程中一般通過分組實驗進行，特別是有些實驗需要學生間的協作才能完成，如研究剛體轉動實驗，在鉤碼下落前，需要一個學生用手托住鉤碼，另一個學生測量鉤碼重心到地面的距離，這有利于學生協作精神的培養.而利用虛擬仿真軟件操作此實驗只需要一個學生拖動鼠標就能完成，不需要學生間的相互協作和互動，這一定程度上會消弱學生間團隊精神的培養.

2 提高虛擬仿真實驗教學效果的設計策略

2.1 增加實驗原理的設計策略

實驗原理是實驗設計的基礎，要研究實驗，只有明確實驗原理，才能真正掌握實驗的關鍵、操作的要點，進而進行實驗的設計、改造和創新.虛擬仿真實驗在設計過程中重視學生操作能力的培養，同時應加強學生對實驗原理的理解.實驗過程要求根據實驗原理進行操作，才能更好地理解、改造和創新實驗.學生在操作虛擬仿真實驗前，應增加實驗原理的講解并要求學生回答相應的問題，根據他們回答問題的情況進行差異化輔導.同時增加系統的控制功能，學生只有掌握了原理之后，才能繼續后面的實驗操作，防止部分學生只為了實驗結果而做實驗.實驗過程也可以增加相應的問題，讓學生邊做實驗邊回答問題，從而提高學生對實驗原理的理解和實驗過程的掌握.

2.2 提高學習興趣和科學嚴謹的設計策略

虛擬仿真實驗具有易學、易用、便捷、趣味性等特點，給學生提供了一個較好的服務平臺.現代實驗教學理念認為，實驗教學應當以實驗操作為主，強調學生動手動腦能力，虛擬仿真實驗應有計劃地引導學生對實驗過程有更深入的思考和討論.大學物理實驗教學過程應有課前預習、課后思考，并要根據實驗結果進行總結，完善或設計新的實驗，培養學生思維能力、設計能力，從而提高學生學習物理的興趣.虛擬仿真實驗在軟件編制過程中應考慮學生實驗操作的正確與錯誤，對操作錯誤應及時給予體現或警示，對學生實驗操作過程不當應做出相應的警告，并提示此操作不當將造成哪些可能的危害和損失.并對實驗操作規范性有相應的考核標準，以培養學生科學嚴謹的學習態度.

2.3 增加交互認知的設計策略

為了提高學生學習大學物理實驗的興趣和效果，大學物理虛擬仿真實驗系統的設置應具有良好的交互性.學生可以對虛擬環境實驗器材自由操作，并通過系統對實驗過程實時反饋.虛擬仿真實驗應強調學生的親身體驗和參與，讓學生在虛擬實驗操作中收獲知識和樂趣.系統的交互性應表現在虛擬環境的真實性和環境對學生行為反應的準確性.情境認知理論認為，在真實的情境下組織教學，其學習內容與活動的設計要與具體的實踐相結合.構建主義認為充分利用虛擬現實的學習環境，增加學生之間、師生之間的交流合作，主動構建獲得知識.從情境認知理論與建構主義的角度來看，在虛擬和真實情境下進行學習，能提高學生的學習興趣和實踐操作技能，有利于知識的構建.而虛擬仿真技術能夠創造出逼真的三維立體學習情境和互動環境，使其成為開發學習情境的有效工具.通過情境認知和構建，利用仿真實驗學習平臺，借助多媒體輔助教學網絡，數字化學習平臺和互動交流協作學習的形成，消除課內課外的界線，實現“線上”“線下”有機結合，提高學生對實驗的認知水平和溝通、交流能力.實驗教學軟件的設計開發中，可采用雙屏或多屏，讓多個學生同時操作一臺實驗儀器，增加學生之間的協作和交流，培養他們的合作能力.同時，虛擬仿真實驗系統在設計中，應增加討論內容，加強學生間的互動性.

3 虛擬仿真實驗在大學物理實驗教學中的應用舉例

大學物理虛擬仿真實驗系統主要是針對實驗教學活動而設計、開發的教學平臺，是傳統實驗的補充和完善，能夠彌補現有實驗儀器數量不足或老舊，實驗開出率過低等問題.引入虛擬仿真實驗，除按照培養計劃或教學大綱開出的實驗外，還可以提供更多的選修實驗、開放實驗，學生可根據自己的興趣和知識需要靈活選擇實驗.學生還可以利用虛擬仿真實驗平臺根據實驗目的，設計實驗方案，組裝實驗，并對實驗結果和數據進行分析，不斷優化實驗方案，從而得出最優結果.通過“實驗——改進設計——檢驗”不斷優化的環節，有利于培養學生循序漸進的學習態度和獨立思考的設計能力，激發學生的學習興趣.下面舉例分析虛擬仿真技術在大學物理實驗教學中的應用.

3.1 長度測量的應用分析

大學物理實驗教學中測量物體長度的常用工具有螺旋測微器、游標卡尺、讀數顯微鏡等，他們的測量范圍、使用方法和測量精度都不同.下面以游標卡尺為例，它由主尺和游標尺兩部分組成，主尺的精確值是毫米，在主尺上附加一個有刻度能夠滑動的小尺叫游標尺，利用它可以把主尺估讀的數值準確地讀出來.根據游標卡尺的精確度不同可分為0.1 mm，0.05 mm，0.02 mm 3種精度的游標卡尺.傳統游標卡尺操作如圖1所示，測量物體的直徑需要雙手共同操作，以防止測量物體掉落，測量過程雖讀數無估讀，但儀器本身和測量過程夾物體的松緊不同，造成測量結果不同.應用虛擬仿真實驗操作如圖2所示，測量過程簡單，用鼠標將待測物體拖動到相應的位置，拖動游標尺固定物體，游標尺上的刻度可以放大，方便讀數，由于系統設計原因，多次正確測量的數據是一樣的，輸入測量數據系統能自動保存，便于數據處理.系統還能根據默認數據直接匹配學生測量的正確與錯誤，便于教師對學生評價.

圖1 游標卡尺實物操作示意圖

圖2 游標卡尺仿真實驗操作

3.2 三線擺測轉動慣量的應用分析

轉動慣量是剛體繞軸轉動時慣性大小的量度，通常用J或I表示.在經典力學中，轉動慣量的表達式為

(1)

式中dm是表示微小質元，r是微小質元到轉軸的垂直距離.如圖3所示用三線擺實驗裝置測量圓盤及圓環的轉動慣量[11].

圖3 三線擺實物操作圖

三線擺下圓盤的轉動慣量的表達式為

(2)

(3)

則圓環的轉動慣量為

J=J2-J1

(4)

傳統實驗裝置如圖3所示，其周期用秒表進行測量，距離用直尺或卷尺測量，測量結果與懸線的松緊有關，多次測量的結果可能會相差較大.如采用三線擺的虛擬仿真實驗如圖4所示，測定轉動周期時，當輸入相應的轉動次數，轉動過程中系統會自動記錄時間，距離的測量也不會因為懸線的松緊而影響測量值結果.測量過程將讀數輸入相應的數據表格，測量完畢后，輸入相應的公式，系統將自動算出測量結果.

圖4 三線擺虛擬仿真操作

3.3 霍爾效應的應用分析

霍爾效應的原理是帶電粒子在磁場中運動受到洛倫茲力的作用而發生偏轉，并打到金屬板上，在金屬板兩側上形成電勢差UH.主要用來測量U型線圈中間的磁場大小和分布情況.當金屬板兩極板的電勢差UH達到某一值時，此時帶電粒子在磁場和電場的共同作用下，所受的合外力為零，粒子將沿直線運動，此時滿足如下關系式

(5)

式中d為兩金屬板的間距，v為帶電粒子在磁場中的運動速度.

兩金屬板間的電勢差UH的表達式為

(6)

式中的比例系數K叫霍爾系數，由霍爾元件本身決定，是確定的值，I為通過霍爾元件的電流，B為待測的磁場大小，b為金屬板的寬度，此時B的表達式為

(7)

傳統霍爾效應的實驗裝置如圖5所示，其測量霍爾電勢差UH的系統誤差較大，因在工藝制作時，很難將金屬板上兩電極焊在同一等勢面上，當電流流過時，不加外磁場，在兩電極間也會產生一電勢差U0.如采用霍爾效應的虛擬仿真實驗如圖6所示，通過軟件設置可使兩電極的電勢在同一等勢面上，無外加磁場下，不會產生電勢差U0，且測量數據在系統中直接錄入，輸入相應的公式，系統將自動算出實驗結果，并能自動保存數據，方便數據獲取.

圖5 霍爾效應實物操作圖

圖6 霍爾效應虛擬仿真操作

4 小結

虛擬仿真實驗已經在大學物理實驗中廣泛應用，其在教學過程中有一定的優越性，如比傳統大學物理實驗更簡捷、方便和直觀，實驗過程不會對儀器造成損壞，能節省原材料，能避免有些實驗原料對環境產生的污染.虛擬仿真實驗在使用過程中可以根據具體要求，對實驗操作過程進行完善，使實驗過程更加合理.同時，虛擬仿真實驗讓學生不局限于實驗室，可以在圖書館、教室、寢室等地方實現自主學習和研究.通過生動的畫面、文字、特技和聲音于一體的獨特優勢，真實的虛擬環境，富有吸引力，尤其能動態表現實驗過程，讓學生深入其中，對提高學生學習物理的興趣有較大的幫助.但目前虛擬仿真實驗軟件在編制方面仍存在一些不足，如缺乏對學生科學態度、協作能力和溝通能力等的培養，不能實現對實物儀器的親身體驗感.但虛擬仿真實驗是對傳統大學物理實驗的補充和完善，兩者相輔相成，一些不具備條件完成的實驗也可以利用仿真實驗完成，以幫助學生對物理知識的理解和掌握.